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SHANGHAI MATHEMATICS · SECTION 6.3

教师整合版 / 沪教版高中数学

组合.

选择性必修第二册
第6章计数原理 · 保留教材主线与原题

1 个阅读模块9 个例题20 道练习与习题
6.3

组合

教材与正式教参整合

1 组合的定义

考虑下面的问题: 从甲、乙、丙 3 名学生中选出 2 名, 有多少种不同的选法?

这个问题与本章 6.2 节的问题 1 不同. 6.2 节的问题 1 是从 3 个互不相同的元素中任取 2 个, 并按序排列, 求一共有多少种不同的排列方法, 这是排列问题; 而本节所考虑的问题是, 从 3 个互不相同的元素中任取 2 个, 不管怎样的顺序都看作同一组, 求一共有多少个不同的组. 这就是所要研究的组合问题.

上面的问题中要确定有几种不同的选法, 就是要求从 3 个互不相同的元素中取出 2 个不同元素的所有组合的个数. 如果两个组合中的元素完全相同,不管元素的顺序如何,这两个组合都是相同的组合; 而只有当两个组合中的元素不完全相同时, 这两个组合才是不同的组合. 上面问题的所有组合有 3 个, 分别是:

甲乙、乙丙、丙甲.

注意:组合"甲乙"与组合"乙甲"是相同的组合,而组合"甲乙"与组合"乙丙"是不同的组合.

从排列和组合的定义可以看到, 排列与元素的顺序有关, 组合与元素的顺序无关. 例如, "甲乙"与 "乙甲" 是不同的排列, 但它们是同一个组合.

例题 1

例 1 判断下列问题分别是排列问题还是组合问题:

(1)从 10 名学生中任选 5 名去参观一个展览会,求有多少种不同的选法;

(2)从1、2、3、4、5这5个数字中,每次任取 2 个不同的数作为一个点的坐标, 求所有不同点的个数;


注意排列与组合的区别.


(3)一个黄袋中装有四张分别写有 1、3、5、7 的卡片,另一个红袋中装有四张分别写有 2、8、16、32 的卡片. 从红袋和黄袋中各任取一张卡片,问这两张卡片上的数相加所得的和有多少种;

(4)有四本不同的书要分别送给四个人,每人一本,问一共有多少种不同的送法. ?


请同学们思考本例中各题的判断依据.


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解 (1) 组合问题; (2) 排列问题; (3) 组合问题; (4) 排列问题.

例题 2

例 2 甲、乙、丙、丁 4 支篮球队举行单循环赛(即任意两支球队都要比赛一场).

(1)写出每场比赛的两支球队;

(2)写出冠亚军的所有可能情况.

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解(1)这是一个组合问题,将两支球队的组合用一个集合表示,共有 6 个组合:

{甲,乙}、{甲,丙}、{甲,丁}、{乙,丙}、{乙,丁}、{丙,丁}.

(2)这是一个排列问题,即从 4 支球队中任意选取 2 支,按照冠军和亚军顺序排列,共有 12 种排列方式(符号(甲,乙)表示 "甲是冠军,乙是亚军"):

(甲,乙)、(甲,丙)、(甲,丁)、(乙,丙)、(乙,丁)、(丙,丁)、

(乙,甲)、(丙,甲)、(丁,甲)、(丙,乙)、(丁,乙)、(丁,丙).

练习 6.3(1)

练习6.3(1) · 1
  1. ( 1 )写出从 五个元素中任取两个不同元素的所有组合;

(2)写出从 五个元素中任取两个不同元素的所有排列.

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  1. (1) ;

(2) ,

练习6.3(1) · 2
  1. 平面上的 6 个点 中的任意 3 个点都不在同一条直线上,写出所有以其中 3 个点为顶点的三角形.
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2 组合数的计算

类似于排列数, 我们给出组合数的定义:


C 是英文 combination 的第一个字母. 在数学文献中, 也常记作 .


因此,从甲、乙、丙 3 名学生中任选 2 名,有 种不同的方法.

下面我们研究组合数 的计算方法,这可以从组合数 与排列数 的关系入手.

例如,从 3 个不同元素 中取出 2 个不同元素的排列与组合的关系如表 6-1 所示:

表 6-1

组合排列

从表 6-1 可以看到, 对于每一个组合都有 2 种不同的排列. 因此,求从 3 个互不相同的元素中任取 2 个不同元素的排列数 ,可以分成以下两步进行:

第一步, 从 3 个互不相同的元素中任取 2 个不同元素, 共有 个不同的组合;

第二步,将每一个组合中的 2 个元素进行全排列,各有 个排列.

根据乘法原理, 有

即

一般地,从 个互不相同的元素中任取 个不同元素进行排列, 可以分成以下两步进行:

第一步,从 个互不相同的元素中任取 个不同元素,共有 个不同的组合;

第二步,将每一个组合中的 个元素进行全排列,各有 个排列.

这样,根据乘法原理,从 个互不相同的元素中任取 个不同元素的排列数 满足

因此

例题 3

例 3 圆上有 10 个不同的点, 以其中任意 3 个点为顶点, 可以组成多少个不同的三角形?

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解 由于圆上的 10 个点中不可能有三点共线, 因此以其中任意 3 个点为顶点的三角形的个数, 就是从 10 个互不相同的元素中任取 3 个不同元素的组合数, 即

因此, 可以组成 120 个不同的三角形.

例题 4

例 4 某校高中一年级举行篮球赛. 比赛时先分成两组, 其中 1 班、 2 班、 3 班、 4 班为第一组,5 班、 6 班、 7 班、 8 班、 9 班、 10 班为第二组. 各组先进行单循环赛(即同组中的每两支队都要比赛一场), 然后由各组的前两名共 4 支队进行单循环赛决出冠军和亚军. 问: 一共需要比赛多少场?

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解 由题意,第一组单循环赛的比赛场数是 ; 第二组单循环赛的比赛场数是 ; 各组的前两名共 4 支队再进行单循环赛, 还需要比赛 场. 所以,这次篮球赛一共需要比赛的场次为

例题 5

例 5 有甲、乙、丙三项任务,其中甲需 2 人承担,乙、 丙各需 1 人承担. 现从 10 人中任选 4 人承担这三项任务,不同的选法有多少种?

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解 从 10 人中任选 4 人分配任务,可分成以下三个步骤:

第一步:从 10 人中任选 2 人承担甲任务,有 种选法;

第二步:从余下的 8 人中任选 1 人承担乙任务,有 种选法;

第三步:从余下的 7 人中任选 1 人承担丙任务,有 种选法.

根据乘法原理, 不同选法的种数为

例题 6

例 6 某班要选举班干部,现有 10 名候选人.

(1)从这 10 名候选人中任选 5 人组成班委,有多少种不同的选法?

(2)从这 10 名候选人中任选 5 人分别担任班委中五项不同的职务, 每项职务由一人担任, 每人只担任一项职务, 有多少种不同的选法?

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解(1)从这 10 名候选人中任选 5 人组成班委,这是从 10 个互不相同的元素中任取 5 个不同元素的组合问题, 有

种选法.

(2)将选出的 5 名候选人按照职务的顺序排列,这是从 10 个互不相同的元素中任取 5 个不同元素的排列问题, 共有

种选法.

练习 6.3(2)

练习6.3(2) · 1
  1. 某班有 20 名男生、18 名女生, 现从中任选 5 人组成一个宣传小组, 其中男生和女生都有的选法有多少种?
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练习6.3(2) · 2
  1. 从 1、2、3、4、5 这五个数字中任取两个不同的奇数和两个不同的偶数.

(1)一共有多少种不同的选法?

(2)可以组成多少个没有重复数字的四位奇数?

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  1. (1) 3. (2) 36.

3 组合数的性质

在组合数公式

中,将 代入,得

并规定 . 从而,上述公式对 也成立.

例题 7

例 7 已知 是自然数, 为正整数,且 . 求证: .

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证明 根据组合数公式, 可以得到

例题 8

例 8 已知 是自然数, 是正整数,且 . 求证:

(1) ; (2) .

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证明(1)根据组合数公式,可以得到

这个等式也可以根据组合数的定义得到. 从 个互不相同的元素中任取 个元素后,会剩下 个元素,因此,每一个从 个互不相同的元素中任取 个元素的组合,都唯一对应一个从 个互不相同的元素中任取 个元素的组合; 反过来,每一个从 个互不相同的元素中任取 个元素的组合,都唯一对应一个从 个互不相同的元素中任取 个元素的组合. 因此,从 个互不相同的元素中任取 个元素的组合数,等于从 个互不相同的元素中任取 个元素的组合数,即 .

(2)根据组合数公式,可以得到

例题 9

例 9 (1)计算 ;

(2)求满足等式 的正整数 .

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解(1)由性质 ,得

(2)由性质 和 ,有

所以, 已知等式可化为


这两个式子是组合数的两个基本运算性质, 在组合数的计算、化简中起着非常重要的作用.

在计算 时,若 ,可利用此性质,转化为 来计算.

能否类似于(1), 利用组合数的定义, 解释等式 ?


再由性质 ,有

即

即

解得

故 的值为 4 .

练习 6.3(3)

习题 6.3

A 组

习题6.3A · 1
  1. 平面上有 10 个点, 其中有 4 个点在同一条直线上, 除此以外, 不再有三点共线. 问: 由这些点可以确定多少条直线?
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习题6.3A · 2
  1. ( 1 )从 10 男 8 女中任选 5 人,共有多少种不同的选法?

(2)从10男8女中任选 5 人(男女都有)担任 5 项不同的工作,共有多少种不同的选法?

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  1. (1) 8 568. (2) 991 200.
习题6.3A · 3
  1. 从 5 名男生和 3 名女生中各任选 2 名参加一个歌唱小组,有多少种不同的选择方案?
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习题6.3A · 4
  1. 某批次 200 件产品中有 5 件次品, 现从该批次中任取 4 件产品.

(1)若 4 件产品都不是次品, 则这样的取法有多少种?

(2)若 4 件产品中至少有 1 件次品,则这样的取法有多少种?

(3)若 4 件产品不都是次品,则这样的取法有多少种?

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  1. (1) 58409520. (2) 6275430. (3) 64684945.
习题6.3A · 5
  1. 从 5 名外语系大学生中任选 4 名参加翻译、交通、礼仪三项义工活动, 要求翻译有 2 人参加, 交通和礼仪各有 1 人参加. 问: 不同的选法共有多少种?
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习题6.3A · 6
  1. 某小组共有 10 名学生, 其中女生 3 名. 现任选 2 名代表, 则至少有 1 名女生当选的选法有多少种?
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习题6.3A · 9
  1. 证明: ,其中 是自然数, 是正整数,且 .
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  1. 提示: 可以将待征的等式变形为 ,其左边是“先从 个不同元素中选出 1 个,再从余下的 个元素中选出 个”的方法数,而其右边是 “先从 个不同元素中选出 个,再从这 个元素中选出 1 个”的方法数.

B 组

习题6.3B · 1
  1. 把 5 本不同的书全部分给 3 名学生, 每人至少 1 本, 有多少种不同的分法?
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习题6.3B · 2
  1. 袋中装有 个红球和 个白球,且 . 这些红球和白球的大小及质地都相同. 从袋中同时任取 2 个球, 若 2 个球都是红球的取法总数是 2 个球颜色不同的取法总数的整数倍,求证: 必为奇数.
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  1. 提示: 由于 2 个球都是红球的取法数为 个球颜色不同的取法数为 , 因此 是 的倍数,从而是整数,所以 是奇数.
习题6.3B · 4
  1. 有 12 名翻译人员,其中 3 人只能翻译英语,4 人只能翻译法语,其余 5 人既能翻译英语, 也能翻译法语. 从这 12 名翻译人员中任选 6 人,其中 3 人翻译英语,3 人翻译法语, 有多少种不同的选法?
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